刺梨GGP基因对维生素C合成的调控作用及其在逆境胁迫中的表达响应

Rosa roxburghii Tratt, a perennial rosebush native to China, is a recently domesticated and promising fruit tree with extremely high contents of AsA in its fruit. Our previous work has demonstrated that GDP-L-galactose pyrophosphatase (GGP) is involved in AsA biosynthesis of L-galactose pathway, and its expression patterns in different tissues or developing fruits of R. roxburghii are well correlated with AsA accumulation, indicating that GGP is important for AsA biosynthesis and its regulation in this plant. Based on this, the full-length cDNA sequence was isolated by RT-PCR and RACE from R. roxburghii fruit. On the one hand, the spatial and temporal expression characteristics, and expression response to the cultivation factors or exogenous hormones and their relationships with the biosynthesis and accumulation of AsA would be detected using Real-Time quantitative PCR (qRT-PCR) and HPLC. On the other hand, an over-expression vector of this gene would be constructed and then transformed into model plants (Arabidopsis or tobacco) by Agrobacterium-mediated transformation, in order to verify the regulation of this gene on the AsA biosynthesis and the response to environmental stresses. These works are helpful to evaluate the importance of GGP gene on regulation of AsA biosynthesis and the response mechanism to environmental stresses, and further to provide a new idea or effective strategy for breeding stress tolerant crops.

以我国特有的高含量维生素C（AsA）果树- - 刺梨为试材，在前期工作已基本摸清GGP基因与其AsA合成具有重要一致性的基础上，采用RT-PCR和RACE技术分离其全长cDNA序列。一方面，利用实时荧光定量PCR技术（qRT-PCR）检测其时空表达特点、对栽培因子及部分外源激素的表达响应及其与AsA合成和积累的关系；另一方面，在此基础上，构建过量表达载体并通过农杆菌介导方法将其导入模式植物（拟南芥或烟草）中，获得转基因植株，验证该基因在其他植物中的过量表达对AsA合成的调控，并通过检测转基因植株中GGP基因在逆境胁迫下的表达响应及其对AsA合成的影响，探明刺梨GGP基因对植物AsA合成的调控作用及其对逆境胁迫的响应机制，可为将来有效调控刺梨和其他农作物中AsA的含量和农产品品质提供理论依据和技术基础，并为植物抗性育种提供新的思路和途径。

项目以我国特有的高含量维生素C（AsA）果树--刺梨为试材，重点研究了刺梨GDP-L-半乳糖磷酸酶（GDP-L- galactose pyrophosphatase，GGP）基因的表达特点、对栽培因子的响应及其与AsA合成和积累的关系；在此基础上，验证其在其他植物中的过量表达对AsA合成的调控，以探明刺梨GGP基因对AsA合成的调控作用及其对逆境胁迫的响应机制。取得的主要结果如下：克隆获得了的全长序列（包含启动子序列），明确了GGP基因在刺梨上的时空表达特点及其与AsA合成和积累之间的一致性关系；尤其是在AsA快速积累阶段，转录组数据及qRT-PCR检测结果均表明GGP是唯一一个转录水平与AsA积累速率呈极显著正相关关系（p<0.01）的基因。GGP对不同环境因子的响应不尽相同，光照、一定程度的干旱均可通过上调GGP基因的表达从而不同程度促进AsA合成和积累；金属离子中Ca2+处理提高刺梨果实AsA的含量，但这种作用似乎不是主要通过上调GGP基因的表达（对GPP和GalLDH基因的上调作用更为显著）实现，而Cu2+可通过抑制包括GGP在内的多个基因表达来减少刺梨果实中AsA的含量；通过多年重复筛选，研究发现外源生长调节剂中，芸苔素内酯（BR）可以显著上调GGP基因的表达从而促进AsA合成和积累。在此基础上，我们将刺梨GGP基因遗传转化到烟草中过量表达，转基因烟草叶片中AsA含量提高了15-26倍，同时也显著提高了转基因植株对盐胁迫和除草剂百草枯等氧化胁迫的抗性，进一步验证了GGP基因作为刺梨合成AsA的关键调控位点的重要结论。同时，我们还发现刺梨叶合成AsA不同于果实的特征和途径，并扩展了GGP基因启动子研究以深入揭示该基因的表达调控机制。结果对于揭示或完善高等植物维生素C的合成机理具有重要的理论意义，为定向、高效调控植物维AsA含量指明了方向；同时对于生产上提升维生素C含量及果实品质也具有重要的实践价值。